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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft einen Hohlprofil-Segelmast, der einen sich
in Richtung auf die Mastspitze verringernden Durchmesser aufweist, insbesondere
für eine Hochleistungs-Yacht.
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Bei Bochleistungs-Segelyachten stellt der - vorzugsweise aus einer
Aluminiumlegierung bestehende - Mast eines der am schwierigsten zu beherrschenden
Bauelemente dar: der Mast soll einerseits als Haupttrageelement für die Antriebsmittel
der Yacht - die Segel - in der Lage sein, große Kräfte aufzunehmen, und soll andererseits
möglichst leicht, schlank und sich verjüngend ausgebildet sein. Da der Mast mit
seiner oberhalb der durch den Schwerpunkt des Schiffes verlaufenden Längsachse befindlichen
Masse zum Krängungsmoment beiträgt und ein zu großer Mastquerschnitt einen unnötigen
Windwiderstand darstellt, sollten beide Größen um so kleiner sein je höher sie angeordnet
sind.
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Darüberhinaus muß der Mast über Beschläge als Träger für eine Reihe
weiterer Elemente und Baugruppen dienen, welche aus technischen Gründen möglichst
weit über der Wasseroberfläche angeordnet sein sollten, wie Positionslampen, Navigationseinrichtungen
oder Antennen. Die von Wanten und Spieren aufgebrachten Kräfte werden nahezu punktförmig
in den Mast eingeleitet, während sich der Druck auf das Großsegel in Form einer
linienförmigen Belastung in Mastrichtung verteilt. Die vom Großsegel erzeugten Kräfte
sind allerdings - in Mastrichtung gesehen - nicht konstant, sondern nehmen einerseits
aufgrund des Segelschnitts zur
Mastspitze hin ab, während die mit
zunehmender Höhe vergrößerten Windgeschwindigkeiten Segelangriffskräfte mit in Richtung
auf die Mastspitze zunehmender Tendenz erzeugen.
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In der Vergangenheit hat man sich bemüht, den unterschiedlichen Anforderungen
dadurch Rechnung zu tragen, daß der Segelmast eine sich vom Mastfuß zur Spitze verjüngende
Form erhielt. Verschiedene Möglichkeiten eine derartige Verjüngung zu erzielen,
sind beispielsweise in der DE-OS 24 22 380 auf Seite 3 angegeben.
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Nun bereitet aber die Herstellung - aus Festigkeitsgründen optimaler
- sich verjüngender Hohlprofile fertigungstechnisch große Schwierigkeiten und im
Falle von Aluminiumlegierungen lassen sich die berechneten Festigkeitseigenschaften
nicht über die gesamte Länge des Mastes sicherstellen, so daß - wenn man nicht unter
großer Beanspruchung Mastbriiche in Kauf nehmen will - die Bemessung mit einem Sicherheitsfaktor
erfolgen muß, aus dem wiederum eine unerwünschte Gewichtszunahme des Mastes resultiert.
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Die Schwierigkeiten, welche bei hochfesten Aluminiumlegierungen bestehen,
sind in dem Aufsatz: "Entwicklung einer hochfesten spannungskorrosionsbeständigen
Legierung auf AlZnMg-Basisw in der Zeitschrift Aluminium", 39. Jahrg., 1963, S.
290 bis 297, dargestellt.
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Die verschiedenen Punkte, an denen Kräfte in den Mast geleitet werden,
und die zu dem selben Zweck gegebenenfalls vorgesehenen Nuten (bei vorzugsweise
aus Aluminium im Strangpreßverfahren hergestellten Metallmasten werden eine Reihe
von Nuten als Führung für das Vorliek des Großsegels
und zur Aufnahme
weiterer Befestigungselemente in einem Arbeitsgang erzeugt) bilden ebenfalls Unsicherheitsfaktoren
bei der Mastdimensionierung, wobei auch hierbei über die gesamte Mastlänge Materialstärken
gewählt werden müssen, welche eigentlich nur dort erforderlich wären, wo auch tatsächlich
Kräfte am Mast angreifen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mastkonstruktion zu
schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweist und es ermöglicht, einen
Mast zu erzeugen, der bei größter Festigkeit ein minimales Gewicht hat.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für einen Segelmast der oben angegebenen
Art mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, daß dadurch, daß der Mast aus verschiedenen
Elementen zusammengesetzt ist, ein Ersetzen einzelner Mastabschnitte bei Reparaturen
kostengünstig möglich ist, ohne daß es der Erneuerung des gesamten Mastes bedarf,
wie es bei einem aus einem einzigen Stück gefertigten Mast erforderlich wäre.
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Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis aus, daß durch die ,Umwicklung
der Obergangsstelle infolge der "eÇa -Umschlingung" unter Vorspannung eine Festigkeitserhöhung
des Materials in diesem Bereich erzeugt wird, welche sich über den gesamten Querschnitt
erstreckt, also nicht nur eine Verbesserung der Oberflächenfestigkeit darstellt.
Weiterhin wurde berücksichtigt, daß bei statisch und dynamisch hoch beanspruchten
Teilen die Konstruktionsweise den ver-
schiedenen auftretenden
Belastungen dadurch Rechnung tragen muß, daß die Gesamtkonstruktion aus mehreren
Einzelteilen zusammengefügt ist, die die notwendigen Funktionen jeweils einzeln
übernehmen und hierfür optimal dimensioniert sind. Das Gegenteil dazu bildet der
Versuch, möglichst ein nur aus einem einzigen Werkstück bestehendes Teil zu schaffen,
welches allein durch seine Formgestaltung den konstruktiven Anforderungen durch
Querschnittsänderungen, Ausnehmungen und dergl. gerecht wird, wofür Formteile unterschiedlichster
Gestaltung im Falle von kräftemäßig nicht besonders hoch belastbaren Bauelementen
ein Beispiel sind. Geht es dagegen darum, hohe Festigkeiten bei geringen Materialquerschnitten
zu erreichen, so ist es - wie am Beispiel des Segelmastes herausgefunden wurde -
wesentlich günstiger, mehrere Bauelemente, welche in sich homogen gestaltet sind
und dem vorliegenden Belastungsfall optimal angepaßt sein können, vorzusehen, wenn
es gelingt, diese Teile so miteinander zu verbinden, daß der Mast in den Ubergangsbereichen
der aneinandergrenzenden Bauelemente eine ausreichende Festigkeit aufweist. Ein
Beispiel dafür, daß auch in der Natur von diesem Prinzip Gebrauch gemacht wird,
stellt ein einfacher Grashalm dar, bei dem röhrenförmige Elemente verschiedener
Stärke ineinander geschoben und in den die Blattachseln bildenden Knotenbereichen
miteinander verbunden sind.
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Dieses Prinzip wird bei dem erfindungsgemäßen Segelmast dadurch in
vorteilhafter Weise realisiert, daß der Profilquerschnitt des Mastes selbst (als
tragendes Element) derart ausgebildet ist, daß er ausschließlich im Hinblick auf
die wichtigste zu erzelende Eigenschaft - die Festig-
keit - optimal
dimensioniert ist. Zu diesem Zweck sind einfache runde bzw. ovale oder elliptische
Hohlquerschnitte besonders geeignet.
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Durch die Überdeckung in denjenigen Bereichen, in denen aufeinanderfolgende
Mastelemente ineinandergesteckt sind, bietet sich die Möglichkeit, Kräfte in den
Mast einzuleiten, wie es bei Wanten oder Stagen bzw. dem Anbringungspunkt von Spieren
wie Bäumen oder Salinge der Fall ist.
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(Das Analogon in der Natur hierzu bilden die an den Knoten des Halms
entspringenden Blätter.) Die in ihren Endbereichen ineinandergeschobenen Mastelemente
werden vorzugsweise im überlappenden Bereich bandagenartig mit einem andförmigen
Material unter Vorspannung umwickelt, welches große Spannungen in Längsrichtung
aufnehmen kann. Besonders geeignet dafür ist Stahldraht, wie er beispielsweise als
"Klaviersaitendraht" handelsüblich ist. Die Bandage bildet eine geschlossene, den
Bereich der überlappung einschließlich deren Nachbarbereiche überdeckende Packung
hoher Festigkeit, welche ihrerseits durch eine weich verlötete streifenförmige Ummantelung
gesichert werden kann, wie sie beispielsweise für Kollektoren von Elektromotoren
verwendet wird. Die miteinander zu verbindenden Elemente werden günstigerweise in
ihren Endbereichen so angepaßt, daß der Vorgang des Ineinandersteckens präzise ausführbar
ist und die Teile spielfrei miteinander verbunden werden können. Dazu werden die
zusammenzufügenden Endteile bevorzugt durch Rohrwalzen konisch geformt und/oder
mit Schlitzen versehen.
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Durch die erfindungsgemäße Stufung des Mastquerschnittes ergibt sich
vorteilhafterweise die Möglichkeit, die Stellen an denen der Mastquerschnitt durch
Übergang auf ein Element mit verringertem Durchmesser im Querschnitt abnimmt, derart
mit Befestigungspunkten für Wanten, Stagen oder Spieren abzustimmen, daß der Kraftangriff
noch in einem Bereich erfolgt, der einen größeren Querschnitt aufweist, so daß -
beispielsweise im Falle von Wanten - die Querschnittsabnahme stufenweise mit der
Verringerung der konstruktiv erforderlichen Festigkeit einhergeht. Die sich überlappenden
und bandagierten Teile stellen Bereiche dar, die einen großen Widerstand gegen Knickung
aufweisen, so daß an diesen Stellen vorzugsweise Kräfte in den Mast eingeleitet
werden können, welche durch Zug oder Druck quer zur Mastrichtung eine den Mast aus
seiner Längsrichtung auslenkende Tendenz haben, wie es für die Anbringungspunkte
von Stagen oder Wanten zutrifft. Damit ergeben sich insbesondere Vorteile für den
Fall, daß durch das Brechen eines Wants oder Stags eine unsymmetrische Belastung
auftritt.
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Die Verjüngung des Mastes läßt sich durch Verwendung von querschnittverkleinernden
Elementen an die konstruktiven Erfordernisse zusätzlich dadurch in vorteilhafter
Weise anpassen, daß im Bereich der Überlappung eine Zwischenlage aufgebracht wird,
welche es ermöglicht, den Sprung des Mastdurchmessers zwischen aufeinanderfolgenden
Elementen zusätzlich zu vergrößern.
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Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion ist es weiterhin möglich, die
konstruktive Ausbildung des Mastquerschnittes
unabhängig von der
Form des Mastprofils aerodynamisch günstig zu gestalten. Eine Umspannung aus einem
gummielastischen Werkstoffstoff - vorzugsweise segeltuchartiger Beschaffenheit -
wird dabei zur Ummantelung des Mastes verwendet, wobei diese freitragend zwischen
den Nutenbereichen - gegebenenfalls in gewissen Abständen von spantenartigen Trägerelementen
unterstützt - über ein oder mehrere Mastelemente reicht und dem Mastquetschnitt
ein Profil gibt, welches für das Gesamtsystem Mast-Großsegel optimiert ist. Auf
diese Weise läßt sich auch der konstruktiv bedingte Querschnittsunterschied der
einzelnen Mastelemente aerodynamisch in Bezug auf den Übergang zum Großsegel harmonisieren.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Bespannung dient als hinterer
Abschluß zum Großsegel hin eine Schiene, welche einerseits Nuten zur Aufnahme der
verdickten Endkanten der Bespannung (sogenannte Keder) aufweist und andererseits
eine Führungschiene für die Befestigungsmittel des Großsegels am Mast (Rutscher
oder Vorliek) bildet. Diese Schiene wird in vorgegebenen Abständen am Mast gehalten,
wobei die Befestigung durch den Mast umschließende manschettenförmige Formteile
- auch in der Ausführung nach Art von Stellringen - erfolgen kann. Dabei ergibt
sich zusätzlich die vorteilhafte Möglichkeit, im Bereich der Mastspitze eine durch
Druckluft aufblasbare Kammer zu bilden, welche im Falle starker Krängung mit Luft
gefüllt wird und dazu beiträgt, Durchkenterungen zu verhindern.
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Der erfindungsgemäße Mast läßt sich bevorzugt durch Strangpressen
elementweise herstellen, wobei - insbeson-
dere für einzelne Teile
- auch andere Werkstoffe verwendbar sind. Aus Gewichtsgründen kann die Mastspitze
aus kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff bestehen.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren
dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Mastes in Teildarstellung mit zwei unterschiedlichen Varianten
der Verbindung aufeinanderfolgender Elemente im Längsschnitt sowie Fig. 2 den in
Figur 1 dargestellten Mast im Querschnitt.
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Der in Figur 1 im Längsschnitt wiedergegebene Mast besteht aus drei
Elementen 1, 2 und 3, welche aus unterschiedlichen Hohlprofilen konstanten Querschnitts
hergestellt sind. Die Elemente sind derart ineinandergesteckt, daß sich von unten
nach oben die gewünschte Verjüngung des Mastes ergibt. In den Überlappungsbereichen
ist das jeweils äußere Ende leicht konisch aufgeweitet, während das innere Ende
verjüngend ausgebildet ist. Auf diese Weise entstehen spielfreie Passungen, welche
eine optimale Festigkeit gewährleisten. Die Montierbarkeit läßt sich dadurch erleichtern,
daß die Endbereiche mit an ihrem Ende verrundeten Schlitzen versehen sind, wie es
für das Element 2 am Beispiel eines Schlitzes 4 in Figur 1 dargestellt ist. Der
Überlappungsbereich zwischen den Elementen 1 und 2 ist mit einer Wicklung 5 aus
dünnem Stahldraht nach Art einer Bandage umgeben, welche auch den an den
überlappungsbereich
angrenzenden Bereich überdeckt. Diese Bandage stellt eine Verdickung dar, wie sie
den Knoten des Grashalms entspricht und für maximale Festigkeit in einem Bereich
sorgt, der der Gefahr der Knickung besonders unterliegt. Die Wicklung 5 ist mit
einer zusätzlichen streifenförmigen Ummantelung 6 versehen, die mit Zinn weich verlötet
ist und die Wicklung zusammenhält, so daß selbst beim Bruch einzelner Windungen
des die Bandage bildenden Stahldrahtes die Festigkeit nahezu unvermindert erhalten
bleibt. Eine außerdem vorhandene, den Mast umschließende Bespannung 7 wird weiter
unten anhand von Figur 2 näher erläutert werden. Die in Figur 1 dargestellte Verbindung
zwischen den Elementen 2 und 3, wobei das Element 3 als Endteil aus kohlenstoffaserverstärktem
Kunststoff gefertigt ist, ist in Figur 1 oben wiedergegeben.
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Zum Ausgleich eines an dieser Übergangsstelle vergrößerten Durchmesserunterschiedes
zwischen den aufeinanderfolgenden Mastelementen 2 und 3 ist eine zusätzliche Zwischenlage
8 vorgesehen, welche es ermöglicht, den Durchmesser des Mastes beim Übergang von
Element 2 auf das Element 3 stärker zu verringern, als es allein aufgrund der Differenz
der Außendurchmesser möglich wäre. Der Uberlappungsbereich ist von einer Manschette
9 umgeben, welche als einheitliches Formteil ausgebildet ist und zur Festigkeitserhöhung
- beispielsweise in Fm eines Verbundwerkstoffes - ein in Umfangsrichtung verlaufendes
Fasermaterial enthalten kann.
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An der Manschette 9 ist eine (teilweise dargestellte) aus zwei Teilen
10 und 11 bestehende Saling angeordnet, welche zur Aufnahme von Kräften geeignet
ist, die über - nicht
dargestellten - Wanten angreifen. Die Einleitung
dieser Kräfte in den Mast erfolgt (ohne daß den Mast schwächende Beschläge vorhanden
sind) optimal an einer Stelle, an der er infolge der Überlappung der Elemente 2
und 3 eine große Steifigkeit aufweist. Die Stellen der Einleitung von Kräften in
den Mast erzwingen keine Xnderung des tragenden Querschnitts des Mastprofils, welches
in Form der einzelnen Elemente 1 bis 3 allein nach Belangen der Festigkeit des Mastes
ausgelegt werden konnte.
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In Figur 2 ist der obere Bereich des in Figur 1 dargestellten Mastes
im Querschnitt wiedergegeben. Die Manschette 9 kann in ihrem hinteren Bereich nach
Art einer Schelle geteilt sein, so daß sie ohne Schwierigkeiten aufgeschoben werden,
mittels einer Spannschraube (nicht dargestellt) festgezogen werden kann und somit
die Elemente 2 und 3 unter Vorspannung fest zusammenhält.
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Die Manschette 9 weist weiterhin zwei Nuten 12 und 13 auf, in welche
die Keder bildenden verdickten Endkanten 14 und 15 der Bespannung 7, die aus einem
gummielastischen Werkstoff von im übrigen vorzugsweise segeltuchartiger Beschaffenheit
besteht, eingeführt sind, die eine Verkleidung des Mastes nach aerodynamischen Gesichtspunkten
bildet. (Dieser Teil der Manschette 9 setzt sich in einer -in der Zeichnung im Schnitt
erkennbaren - durchlaufenden Schiene 18 fort, welche den Bereich zwischen jeweils
benachbarter Trennstellen aufeinanderfolgender Mastelemente überbrückt.) Zur Unterstützung
können dabei in vorgegebenen Abständen weitere Trägerelemente nach Art von Stellringen
auf Mastelementen angeordnet sein, welche gleich-
zeitig Spanten
bilden, die die Form der Bespannung 7 bestimmen. Die Bespannung 7 umschlingt die
Elemente des Mastes schlauchartig -und gleicht dabei die Sprünge der Durchmesser
der einzelnen Mastelemente in Bezug auf den Anschluß zum Großsegel aus, so daß Mast
und Großsegel eine aerodynamisch optimal gestaltete Oberfläche erhalten, ohne daß
Rücksicht auf die aus Festigkeitsgründen notwendige Bemessung genommen werden muß
- tragende und formende Elemente sind also konstruktiv nahezu vollständig getrennt.
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Mittels der sich im Bereich der Mastspitze ergebende,n durch Druckluft
aufblasbaren Kammer, werden im Falle starker Krängung infolge des dadurch erzielten
Auftriebs Durchkenterungen vermieden.
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In den hinteren Bereich der Schiene 16 läßt sich in einer weiteren
Ausnehmung 17 ein Befestigungselement für das Großsegel 18 einfügen, welches beim
dargestellten Ausführungsbeispiel durch sein Vorliek 19 gebildet wird. Die Bespannung
7 überspannt damit im wesentlichen freitragend den Bereich zwischen zwei die Verbindungen
aufeinanderfolgender Elemente bildenden Mastknoten und stellt damit ein gleichmäßiges
Profil sicher, welches in Bezug auf den Übergang zum Segel 18 optimal gestaltet
sein kann. Die Schiene 16 selbst ist über eine Schwalbenschwanzführung 20 mit der
Manschette 9 verbunden.
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Die Durchmesser und Materialquerschnitte für die einzelnen Elemente
sind gewählt, daß sich bei Biegebeanspruchung des gesamten Mastes im Mittel für
die einzelnen Teile der Elemente eine konstante Materialbeanspruchung ergibt, wobei
bei unterschiedlichen Materialien ein gleichbleibender
Sicherheitsfaktor
bezüglich der Beanspruchung (gegebenenfalls unter Anpassung an die besonderen Anforderungen
in einzelnen Mastteilen) zugrundegelegt wird.
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